楊雄生

（北京市教育學(xué)院朝陽分院 北京 100026）

汪 瀛

（北京市趙登禹中學(xué)校 北京 100067）

牛頓第一定律是力學(xué)的基礎(chǔ)和出發(fā)點，在力學(xué)中居于舉足輕重的地位.初中物理中牛頓第一定律是慣性概念與平衡力的理論基礎(chǔ).

初中牛頓第一定律和慣性以及慣性現(xiàn)象，組成一個單元，也是初中物理的重點知識，歷來為各地教研員所重視.

初中牛頓第一定律和慣性現(xiàn)象的教學(xué)難點在于：如何從有限次的實驗結(jié)論，過渡到理想狀態(tài)的物理定律；如何解讀牛頓第一定律的內(nèi)容，盡量吸取其中的“物理營養(yǎng)”；如何引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析和解釋初中涉及的“分離式”的慣性現(xiàn)象.

經(jīng)過多年的研究和實踐，筆者終于找到突破這些難點的方法.現(xiàn)將我們進行的一堂研究課，介紹如下，與同行交流.

1 引入新課

用如圖1所示的3個實驗引入新課，圖1（a）是由教師演示的常見的慣性實驗，用簡易的器材轉(zhuǎn)化為學(xué)生實驗；圖1（b）是將長方形的橡皮擦，立在課本上，突然推動課本，橡皮后倒，模擬車輛啟動乘客后傾的現(xiàn)象；圖1（c）是將長方形的橡皮擦，立在課本上，先慢慢推動課本，讓橡皮隨課本一起運動，然后利用實驗桌上的木塊作障礙物使課本停下了來，橡皮前倒，模擬剎車時乘客前沖的現(xiàn)象.

每個實驗進行前都應(yīng)該先讓學(xué)生猜想可能出現(xiàn)什么現(xiàn)象——預(yù)判；而后再動手實驗，驗證猜想是否正確；最后，敘述出現(xiàn)的現(xiàn)象，想辦法給現(xiàn)象一定的解釋.

圖1 學(xué)生實驗

對于圖1（b）、（c）兩個實驗，在學(xué)生敘述現(xiàn)象且尚未對現(xiàn)象解釋之前，教師應(yīng)及時增加一個問題：生活中，我們遇到過這種現(xiàn)象嗎？學(xué)生提出汽車啟動時，乘客后仰；汽車剎車，乘客前傾的現(xiàn)象.結(jié)合學(xué)生的敘述，教師及時展示汽車啟動與剎車時，乘客出現(xiàn)現(xiàn)象的圖片，再讓學(xué)生解釋.

由于尚未學(xué)習(xí)牛頓第一定律，也沒有訓(xùn)練過如何解釋此類顯示分離式的慣性現(xiàn)象，學(xué)生的解釋往往回答不到點子上.

教師：要仔細(xì)、透徹回答這些問題，我們知識不夠，還需要學(xué)習(xí)新的物理知識！

2 探究教學(xué)——探究運動和力的關(guān)系

2.1 引出探究課題

先演示如下實驗；在水平面上，教師用手推小車一小段路程，松手后，小車運動一段路程停下來.

設(shè)問：看到什么現(xiàn)象？想到什么問題？歸納出問題：為什么小車會停下來？

學(xué)生A：因為手不推小車了，所以，它才下來.

學(xué)生B：因為小車受到桌面的摩擦力，它才會停下來.

師：是因為手不推它了，小車才停下來；還是小車受到桌面的摩擦力，它才停下來？我們通過實驗探究來解決這個問題！

引出課題.探究：運動和力的關(guān)系.

2.2 引出探究實驗

展示圖2所示的實驗裝置，問：運動小車在木板面停下來快些，還是在毛巾面上停下來快些？

圖2 運動小車實驗裝置

學(xué)生一致回答：在毛巾面上停下來快些！

教師演示，故意在擋板后面，對小車的推力不同，使的小車在木板面的初速度小，在毛巾面的速度大，讓小車在木板面上停的快，毛巾面上停的慢！

問：看到什么現(xiàn)象，想到什么問題？

學(xué)生一致反對：兩次實驗速度不同，實驗不公平！

師：大家說得很對，要探究運動小車在不同的表面上運動，停下來的快慢這個問題，需要一個條件，就是小車開始運動的速度要相同.

請大家?guī)臀以O(shè)計一個實驗，能保證每次實驗時，開始的速度相同！

先敞開讓學(xué)生隨意設(shè)計實驗，過3～4min后，再讓同學(xué)低頭，看看課桌上提供的器材，請同學(xué)利用桌上的器材，設(shè)計一個探究“運動小車在不同的表面上運動，停下來的快慢和阻力關(guān)系的實驗”，重點是如何保證每次實驗時，開始的速度相同！如果還有困難，可讓學(xué)生閱讀教材的相關(guān)部分.

讓學(xué)生介紹自己設(shè)計的實驗，實驗裝置如圖3所示.

圖3 學(xué)生自己設(shè)計的實驗裝置

重點在于如何保證每次實驗時，開始的速度相同！和如何做實驗兩件事情上面.在學(xué)生介紹不完整的情況下，教師給于適當(dāng)?shù)难a充.

2.3 實驗情況與結(jié)果

學(xué)生實驗與教師輔導(dǎo)情況（略），實驗結(jié)果如表1所示.

表1 實驗結(jié)果

2.4 從有限次實驗結(jié)果 過渡到理想實驗規(guī)律

師：大家知道，要想得到正確的物理結(jié)論，實驗的次數(shù)當(dāng)然是越多越好，但，不論做多少次實驗，都要有理性的思維和科學(xué)的推理，才能得到科學(xué)的結(jié)論.雖然，我們只做了3次實驗，只要我們通過理性的思維和科學(xué)的推理，同樣也能得到科學(xué)的結(jié)論.

師：請看表1，同學(xué)3次實驗結(jié)論，假如讓你再做第4次實驗，你一定選什么樣的材料？

生：選比第3次阻力更小的材料.

師：那么它運動的距離就會

生：比第3次更長.

師：速度的變化

生：就會比第3次更慢.

師：假如做第5次實驗，你一定選什么樣的材料？

生：選比第4次阻力更小的材料.

師：那么它運動的距離就會

生：比第4次更長.

師：速度的變化

生：就會比第4次更慢.

師：假如做第10次實驗，你一定選什么樣的材料？

生：選比第9次阻力更小的材料.

師：那么它運動的距離就會

生：比第9次更長.

師：速度的變化

生：就會比第9次更慢.

假如做第100次實驗……（師生對話略）

假如做第1000次實驗……（師生對話略）

假如做第10萬次實驗……（師生對話略）

師：總之，如果每次的阻力比上次的更小，運動的距離就更長，速度的變化就更慢.

師：假如小車在完全光滑的水平面上運動，一點阻力都不受，它會做什么樣的運動？

生：勻速運動.

師：速度會不會變化？

生：不會.

師：方向會不會改變？

生：不會.

師：它將會如何運動？

生：就以這樣的速度和方向一直運動下去，一直做勻速直線.

師：第一位研究運動和力關(guān)系的科學(xué)家是意大利的伽利略，他的結(jié)論：在理想情況下，如果表面絕對光滑，物體受到的阻力為零，它的速度將不會減慢，這時物體將以恒定不變的速度永遠(yuǎn)運動下去.

請注意，伽利略只提到速度大小不變永遠(yuǎn)運動下去，沒有提到速度的方向會怎樣？

這個問題是由法國的科學(xué)家笛卡兒給予補充的，指出如果運動物體不受任何力的作用，不僅速度大小不變，而且運動的方向也不變，將沿著原來的方向勻速運動下去.

英國的科學(xué)家牛頓，總結(jié)了伽利略、笛卡兒等人研究成果，從而概括出一條重要的物理定律——牛頓第一定律.

一切物體在沒有受到力的作用時，總保持靜止或勻速直線運動狀態(tài).

2.5 解讀牛頓第一定律

（1）對于牛頓第一定律，“研究對象”為一切物體，這個一切物體，包括一切固體、液體和氣體.

“前提”條件是不受力的作用.

“結(jié)論—規(guī)律”：總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動的狀態(tài).

請注意這個“總”字，它包含“一定”、“必定”的意思.

（2）能不能用實驗來驗證牛頓第一定律——不能，因為“絕對光滑，物體受到的阻力為零的條件”，在實際生活中并不存在！所以，不能用實驗驗證這個定律.因此，牛頓第一定律屬于理想定律.

既然是理想定律，我們?nèi)绾纬姓J(rèn)它是否正確呢？

這是因為從牛頓提出這個定律的300多年來，由它推出來的結(jié)論，都經(jīng)受住了實踐的檢驗，所以，牛頓第一定律仍然是大家公認(rèn)的基本定律之一.

（3）不受力的情況不存在，但，我們知道有一種情況和不受力的情況等效.受平衡力和不受力的情況等效.所以，物體受平衡力作用時，也總是保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動的狀態(tài).

（4）物體不受力作用時，總保持原來的運動狀態(tài)；要改變物體的運動狀態(tài)，就必須有力的作用；有力的作用，物體改變運動狀態(tài).

那么，力和運動的關(guān)系是怎樣？維持運動需不需要力？我們說，維持運動不需要力，改變運動才需要力的作用.

回放引出探究課題的實驗錄像：手推小車一段距離，放手后小車運動一段距離停下來.現(xiàn)在就能回答剛才的問題，小車停下來，是由于手不再推小車呢，還是小車受到阻力呢？應(yīng)該是小車受到阻力的作用.

3 慣性

3.1 引出慣性概念

師：由“一切物體在沒有受到力的作用時，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài).”我們能否體會出：自然界一切物體都有一種“天生的本性”，就是保持自己原來的運動狀態(tài)不變的本性，就是原來運動的就一直運動下去；原來靜止的就一直保持靜止?fàn)顟B(tài)，總之，不會改變自己的運動狀態(tài).

一切物體都有保持原有運動狀態(tài)的特性，（板書：）我們把物體保持運動狀態(tài)不變的特性叫做慣性.

3.2 解讀慣性

大家知道，物體不受力作用，保持原有的運動狀態(tài)，有慣性；物體受力的作用，運動狀態(tài)改變，這時，物體還有慣性嗎？

答案是有慣性，在改變運動狀態(tài)的情況下，慣性表現(xiàn)為力圖保持原來的運動狀態(tài)不變.這種情況下，力要改變運動狀態(tài)，慣性要保持原來的運動狀態(tài)，兩者是一對矛盾，正是這對矛盾相互斗爭與制約，演繹出千姿百態(tài)、五彩繽紛的力學(xué)現(xiàn)象.

有人說：正因為物體具有慣性，才有牛頓第一定律；也有人說，牛頓第一定律揭示物體具有慣性的本質(zhì).總之，牛頓第一定律和物體的慣性是密不可分的，所以，牛頓第一定律也稱為慣性定律.

物體的慣性越大，改變原來運動狀態(tài)越不容易；慣性小的物體，改變原來的運動狀態(tài)越容易.質(zhì)量越大的物體，改變原來運動狀態(tài)越不容易，慣性越大；質(zhì)量越小的物體，改變原來運動狀態(tài)越容易，慣性越小.

所以，我們說：質(zhì)量大，慣性大；質(zhì)量小，慣性小.

4 解釋慣性現(xiàn)象

師：我們學(xué)習(xí)了牛頓第一定律和物體的慣性概念之后，對上課之初所做的3個實驗，就可以解釋得更加清楚、透徹了.

讓同學(xué)先解釋，教師在給于適當(dāng)?shù)匮a充，使之完整.

解釋這3個“分離式慣性現(xiàn)象”實驗的要點如下.

（1）研究對象都是兩個物體，明確兩個研究對象原來的運動狀態(tài).

（2）這兩個物體，總是一個受力，運動狀態(tài)改變，另一個不受力，保持原來的運動狀態(tài)不變.因此，發(fā)生分離現(xiàn)象.

3個實驗的解釋（略）.

本堂課的總結(jié)和作業(yè)（略）

5 說明

（1）本課的內(nèi)容多，時間緊，所以，聯(lián)系生活實際的例子，僅限于引入新課的3個實驗，不要再增加.如果教學(xué)不順利，最后可以只解釋圖1（b）的實驗，而將另外兩個實驗，作為課后作業(yè)，讓學(xué)生完成；如果教學(xué)順利，最后解釋3個引入新課的實驗之后，還有時間的話可以再做如圖4所示的“打紙條”的實驗，并作為課后作業(yè)，讓學(xué)生完成.

圖4 “打紙條”實驗

（2）初中物理教學(xué)，不論是學(xué)生實驗，還是演示實驗，每次應(yīng)該先讓學(xué)生猜想，做出預(yù)判；再做實驗，檢驗自己的預(yù)判是否正確；最后，解釋實驗現(xiàn)象.每次實驗都堅持這樣的程序，經(jīng)過多次的熏陶，讓學(xué)生養(yǎng)成這樣良好實驗習(xí)慣.上述“打紙條”等的作業(yè)，也要求按上述要求完成.

（3）“從有限次實驗結(jié)果，過渡到理想實驗規(guī)律”的教學(xué)中，師生共同演繹從假如做第4次實驗，到假如做第10萬次實驗，需用時3min左右.從啟發(fā)學(xué)生思維，讓學(xué)生順利從有限次實驗結(jié)果，過渡到理想實驗規(guī)律，這3min是應(yīng)該花的，也是必須花的.

（4）在解讀牛頓第一定律與慣性時，對于“牛頓第一定律這個理想定律，不能用實驗來驗證，我們又如何承認(rèn)它是否正確呢？”“物體不受力，保持原來的運動狀態(tài)，表現(xiàn)出慣性，物體受力的作用，運動狀態(tài)改變，這時，物體還有慣性嗎？”

這兩件事，對于理解牛頓第一定律和慣性是非常重要的，可能學(xué)生一時理解不了，教師可以在章復(fù)習(xí)與期末復(fù)習(xí)時，適當(dāng)重復(fù)，引導(dǎo)學(xué)生逐步加深理解.

上述方案，也僅為一家之言，不妥之處請同行斧正.